Caratterizzazione delle proprietà quanto-ottiche di difetti otticamente attivi a base elio e neon in diamante artificiale.

Diamond is a promising material for the development of emerging quantum-era technologies, since its optical active impurities, referred to as color centres, are among the most appealing candidates for solid state implementation of quantum information processing devices at room temperature. Color centres can provide an experimental implementation of “on demand” single photon emitters i.e. they emit a single photon when optically or electrically stimulated. They consist of a combination of defects in crystal lattice such as impurities and configurations of missing carbon atoms, stated as vacancies, which can be formed either during the material synthesis (e.g. incorporation of selected species in Chemical Vapour Deposition growth processes) or through ion implantation of specific elements and subsequent thermal annealing. The term “color” refers to the fact that thanks to the characteristic diamond energy gap, the largest among crystalline materials, 5.5eV, even for energy of optical transitions, localized electronic ground and exited states of impurities are isolated from the conduction and valence bands of the surrounding lattice, allowing to describe the complex as an isolated two-level or three-level system with the emission in the visible range of electromagnetic spectrum. Up to date, the well-known negative-charged nitrogen-vacancy centre has attracted significant interest; its spin, which can be coherently controlled even at room temperature (spin-coherence time greater than ms has been recently reported), has established the potential application of NV- in the field of quantum communication and computing. However, in the framework of a wider investigation of optically active defects in diamond, aiming overcoming NV centres' limitations, recent studies have reported the formation of He-related color centres exhibiting two sharp lines at 536 nm and 560 nm without significant phonon coupling, consequently to MeV He+ implantation and thermal annealing. In this context, the purpose of this thesis is to gain a deeper insight of their optical and spin resonance properties in order to assess a future potential applications as single photon emitters and quantum-enhanced field sensors. The Thesis activity is based on a characterization of a CVD diamond sample implanted with 1.5 MeV He+ ions with the Optically Detected Magnetic Resonance technique for the read out of the emitters spin state by single photon confocal microscopy. In absence of an external magnetic field the presence of multiple spin resonances in the range 0.6-1.5 GHz, not reported so far in the scientific literature, was observed. Aiming at excluding eventual experimental artefacts, the measurements were repeated on a control sample consisting of HPHT diamond substrate implanted with 750 keV Ar+. The absence of resonances in the latter suggests a preliminary attribution to He-related defects. The role of noble gas in the colour centres formation in artificial diamond is finally further explored with the characterization of a HPHT diamond sample implanted with 750 keV Ne+ ions.

Negli ultimi decenni il diamante, grazie ai suoi difetti reticolari otticamente attivi, conosciuti come “centri di colore”, tra i maggiori candidati per l'implementazione di dispositivi a stato solido destinati al processamento dell'informazione quantistica, ha dimostrato di rappresentare una piattaforma piuttosto interessante per lo sviluppo di emergenti tecnologie quantistiche. I centri di colore, infatti, permettono di realizzare una configurazione sperimentale di emettitori di singolo fotone “on demand”, ovvero in grado di emettere un singolo fotone alla volta quando otticamente o elettricamente stimolati. Essi consistono in una combinazione di difetti, quali impurezze e assenze di atomi di carbonio, denominate vacanze, realizzabili durante la fase di sintesi, oppure tramite l'impiantazione ionica di specifici elementi, seguita da un opportuno processamento termico. Il termine “colore” si riferisce al fatto che, grazie all'elevata energy gap del diamante, 5.5eV, la più alta tra i materiali cristallini, i livelli localizzati, fondamentali ed eccitati, che compongono la struttura del difetto, nonostante l'energia dei fotoni emessi sia dell'ordine dell'eV, dunque l'emissione di fotoluminescenza nel range visibile dello spettro elettromagnetico, risultano isolati dalla banda di conduzione e di valenza del restante reticolo cristallino, permettendo così la descrizione di questi complessi come sistemi “atomo”, a due o tre livelli, all'interno di una matrice cristallina a stato solido. Attualmente l'ormai ben noto centro azoto vacanza ha suscitato un significativo interesse; la possibilità di controllare coerentemente e a temperatura ambiente il suo spin con lunghi tempi di coerenza, ha stabilito la potenziale applicazione del centro NV- nei campi della computazione e comunicazione quantistica. Tuttavia, in un contesto di ricerca della sorgente di singolo fotone ideale, recenti studi hanno riportato la formazione di difetti fotoluminescenti a base He, caratterizzati da due linee di emissione molto strette, con lunghezze d'onda di 536nm e 560nm e una banda fononica relativamente limitata, conseguentemente all'irraggiamento ionico eseguito con ioni He di energia dell'ordine del MeV e successivo processo termico. L'obiettivo di questa tesi è dunque un'indagine incentrata sulle loro proprietà ottiche e sulle loro risonanze di spin, al fine di estrapolarne informazioni relative alla loro struttura per una potenziale e futura applicazione come emettitori di singolo fotone o sensori quantistici per la misura di campi magnetici ed elettrici. L'attività di tesi si basa sulla caratterizzazione di un campione CVD impiantato con ioni He a 1.5MeV, condotta mediante Risonanza Magnetica Rivelata Otticamente per la lettura dello stato di spin degli emettitori in configurazione di microscopia confocale. In assenza di campi magnetici esterni si riporta la presenza di una serie di risonanze di spin in un range compreso tra 0.6 e 1.5 GHz, fino ad ora assenti in letteratura scientifica. Infine, il ruolo dei gas nobili nella formazione di centri di colore in diamante artificiale è stato ulteriormente approfondito tramite la caratterizzazione di un campione HPHT impiantato con ioni Ne+.